Надзмащувальне покриття з вуглецевих нанотрубок може зменшити економічні втрати від тертя та зносу

Перевидано Платоном

читають: 0

07 червня 2023 р. (Новини Nanowerk) Вчені з національної лабораторії Департаменту енергетики Ок-Рідж винайшли покриття, яке може значно зменшити тертя в звичайних несучих системах із рухомими частинами, від трансмісії транспортних засобів до вітряних і гідроелектричних турбін. Це зменшує тертя сталі при терті об сталь щонайменше в сто разів. Нове покриття ORNL може допомогти економіці США, яка щороку втрачає понад 1 трильйон доларів через тертя та знос, що еквівалентно 5% валового національного продукту. «Коли компоненти ковзають один повз одного, виникає тертя та зношування», — сказав Джун Ку, керівник групи поверхневої інженерії та трибології ORNL. Трибологія, від грецького слова тертя, - це наука та технологія взаємодіючих поверхонь у відносному русі, таких як зубчасті колеса та підшипники. «Якщо ми зменшимо тертя, ми зможемо зменшити споживання енергії. Якщо ми зменшимо знос, ми зможемо подовжити термін служби системи для кращої довговічності та надійності». Разом із колегами з ORNL Чанакою Кумарою та Майклом Ленсом Цюй провів дослідження, опубліковане в Матеріали сьогодні Нано ("Макромасштабна надзмащувальна здатність за рахунок жертовного покриття з вуглецевих нанотрубок") про покриття, що складається з вуглецеві нанотрубки що надає надзмащувальну здатність ковзаючим частинам. Надзмащувальна властивість практично не виявляти опору ковзанню; його відмітною ознакою є коефіцієнт тертя менше 0.01. Для порівняння, коли сухі метали ковзають один повз одного, коефіцієнт тертя становить приблизно 0.5. З мастильним матеріалом коефіцієнт тертя падає приблизно до 0.1. Однак покриття ORNL знизило коефіцієнт тертя набагато нижче граничного значення для надзмащувальної здатності до 0.001. вертикально орієнтовані вуглецеві нанотрубки

вертикально орієнтовані вуглецеві нанотрубки

Вертикально вирівняні вуглецеві нанотрубки ORNL зменшують тертя майже до нуля для підвищення енергоефективності. (Зображення: Чанака Кумара, ORNL) «Нашим головним досягненням є те, що ми робимо суперзмащувальні властивості можливими для найпоширеніших застосувань», — сказав Цюй. «Раніше ви побачили це лише в нанорозмірних або спеціальних середовищах». Для дослідження Кумара вирощував вуглецеві нанотрубки на сталевих пластинах. За допомогою машини під назвою трибометр він і Цю змусили пластини тертися одна об одну, утворюючи стружку вуглецевих нанотрубок. Багатошарові вуглецеві нанотрубки покривають сталь, відштовхують корозійну вологу та функціонують як резервуар мастила. Коли вони вперше осідають, вертикально розташовані вуглецеві нанотрубки стоять на поверхні, як травинки. Коли сталеві частини ковзають одна повз одну, вони фактично «стрижуть траву». Кожне лезо є порожнистим, але складається з кількох шарів прокату графен, атомарно тонкий лист вуглецю, розташований у сусідніх шестикутниках, як курячий дріт. Уламки вуглецевих нанотрубок зі стружки знову осідають на контактній поверхні, утворюючи збагачену графеном трибоплівку, яка зменшує тертя майже до нуля. Створення вуглецевих нанотрубок є багатоетапним процесом. «По-перше, нам потрібно активувати сталеву поверхню для створення крихітних структур розміром у нанометри. По-друге, нам потрібно забезпечити джерело вуглецю для вирощування вуглецевих нанотрубок», — сказав Кумара. Він нагрівав диск з нержавіючої сталі, щоб утворити на поверхні частинки оксиду металу. Потім він застосував хімічне осадження з парової фази, щоб ввести вуглець у формі етанолу, щоб частинки оксиду металу могли зшивати туди вуглець атом за атомом у формі нанотрубок. Нові нанотрубки не забезпечують надзмащування, доки вони не пошкоджені. «Вуглецеві нанотрубки руйнуються під час тертя, але стають новою річчю», — сказав Цюй. «Ключовою частиною є те, що зламані вуглецеві нанотрубки є шматочками графену. Ці частини графену розмазуються та з’єднуються з контактною зоною, перетворюючись на те, що ми називаємо трибоплівкою, покриття, яке утворюється під час процесу. Тоді обидві контактні поверхні покриваються деяким багатим на графен покриттям. Тепер, коли вони труться один про одного, це графен об графен». Диск з нержавіючої сталі був нагрітий, щоб створити на його поверхні частинки оксиду заліза та нікелю

Диск з нержавіючої сталі був нагрітий, щоб створити на його поверхні частинки оксиду заліза та нікелю

Диск з нержавіючої сталі нагрівали, щоб на його поверхні утворилися частинки оксиду заліза та нікелю. (Зображення: Карлос Джонс, ORNL) Наявність навіть однієї краплі олії має вирішальне значення для досягнення надзмащувальної здатності. «Ми спробували це без масла; це не спрацювало", - сказав Цюй. «Причина в тому, що без нафти тертя надто агресивно видаляє вуглецеві нанотрубки. Тоді трибоплівка не може нормально формуватися або довго зберігатися. Це як двигун без масла. Він димить за кілька хвилин, а той, що містить масло, може працювати роками». Покращена ковзкість покриття ORNL забезпечує стійкість. Надзмащувальна здатність зберігалася в випробуваннях понад 500,000 12 циклів тертя. Кумара перевіряв продуктивність безперервного ковзання протягом трьох годин, потім одного дня і пізніше 20 днів. «Ми все ще маємо надзмащувальну здатність», — сказав він. «Це стабільно». Використовуючи електронну мікроскопію, Кумара вивчив скошені фрагменти, щоб довести, що трибологічний знос розірвав вуглецеві нанотрубки. Щоб незалежно підтвердити, що натирання вкорочує нанотрубки, співавтор ORNL Ленс використав раманівську спектроскопію, техніку, яка вимірює вібраційну енергію, яка пов’язана з атомним зв’язком і кристалічною структурою матеріалу. «Трибологія — це дуже стара галузь, але сучасна наука та інженерія забезпечили новий науковий підхід до розвитку технологій у цій галузі», — сказав Цюй. «Фундаментальне розуміння було неглибоким до останніх, можливо, 2014 років, коли трибологія отримала нове життя. Зовсім недавно науковці та інженери дійсно об’єдналися, щоб використовувати передовіші технології визначення характеристик матеріалів — це сильна сторона ORNL. Трибологія дуже мультидисциплінарна. Ніхто не є експертом у всьому. Тому в трибології ключем до успіху є співпраця». Він додав: «Десь можна знайти вченого, який має досвід у вуглецевих нанотрубках, вченого, який має досвід у трибології, вченого, який має досвід у характеристиках матеріалів. Але вони ізольовані. Тут, в ORNL, ми разом». Команди трибологів ORNL виконали нагороджену роботу, яка залучила промислове партнерство та ліцензування. У 100 році іонна протизносна присадка для паливноефективних моторних мастил, розроблена ORNL, General Motors, Shell Global Solutions і Lubrizol, отримала нагороду R&D 100. Співавторами ORNL були Цюй, Хуімін Луо, Шенг Дай, Пітер Блау, Тодд Тупс, Браян Вест і Брюс Бантінг. Подібним чином робота, описана в поточній статті, була фіналістом нагороди R&D 2020 у XNUMX році. Дослідники подали заявку на патент на своє нове суперзмащувальне покриття. «Далі ми сподіваємося співпрацювати з промисловістю, щоб написати спільну пропозицію для DOE щодо тестування, вдосконалення та ліцензування технології», — сказав Цюй. «Через десять років ми хотіли б побачити вдосконалені високопродуктивні транспортні засоби та електростанції з меншими втратами енергії на тертя та знос».